Mesure de polluants atmosphériqueLa mesure des polluants atmosphériques

La directive européenne 2008/50/CE du 21 mai 2008 impose la surveillance de 8 polluants : SO2, NO, NO2, Pb, PM10, PM2,5, C6H6, CO, O3 et la directive européenne 2004/107/CE du 15 décembre 2004 régit la surveillance de l’arsenic, le nickel et le cadmium pour la famille des métaux ainsi que le benzo(a)pyrène.  En région Centre, sont également mesurés, les dioxines et furanes et les pesticides.

 

 

 

Chaine d'étallonnageAnalyseur certifiéLes polluants sont mesurés par des analyseurs certifiés qui utilisent des méthodes de référence ou des méthodes équivalentes aux méthodes de référence décrites dans les directives européennes. D’un point de vue qualité, ces analyseurs sont raccordés à la chaîne d’étalonnage (cf § la chaîne d’étalonnage).

 
 

Les méthodes de surveillance sont adaptées suivant les niveaux de polluant attendus (mesures fixes, mesures indicatives, modélisation, estimation objective, …).

 

 

Site de référence d'analyseSur le domaine de la région Centre (39 536 km², 4ème plus grande région de France),  26 sites de référence permettent un suivi en temps réel et en continu des polluants réglementés. Choisis le plus judicieusement possible dans des environnements variés afin de garantir leur représentativité, selon des critères d’implantation nationaux, ils permettent de constater des tendances d'évolution.

 

La chaîne de mesures

Les sites fonctionnent selon une chaîne de mesures bien particulière :

 

- le prélèvement : l'air extérieur est prélevé 24h/24 à l'aide d'une pompe reliée à des têtes de prélèvement,

 

- la mesure : l'air extérieur circule vers différents analyseurs pour mesurer des concentrations de polluants. Une moyenne est calculée chaque quart d'heure,

 

- la validation : les données sont transmises par liaison téléphonique. Les informations sont stockées dans une base de données et validées 2 fois par jour (matin et soir),

 

- la diffusion : les données sont diffusées sur le site internet toutes les 3 heures.

 

 

 

La chaîne de mesure

Les stations de mesures

Il existe différentes « typologies » de sites, répondant à des recommandations nationales, permettant de qualifier la pollution de l'air dans des environnements variés, afin d'appréhender au mieux l'exposition réelle de la population.

 

Les différentes typologies de stations sont :

 

- Site urbain : suivi de l'exposition moyenne de la population aux phénomènes de pollution atmosphérique dits "de fond" dans les centres urbains,

 

- Site périurbain : suivi de la pollution photochimique notamment l’ozone et ses précurseurs, et éventuellement les polluants primaires et suivi du niveau moyen d’exposition de la population aux phénomènes de pollution atmosphérique dits "de fond" à la périphérie du centre urbain,

 

- Site trafic : suivi des informations sur les concentrations mesurées dans des zones représentatives du niveau maximum d’exposition auquel la population, située en proximité d’une infrastructure routière, est susceptible d’être exposée,

 

- Site rural : surveillance de l'exposition des écosystèmes et de la population en milieu rural à la pollution atmosphérique « de fond », notamment photochimique, à l'échelle régionale.

 

- Site industriel : fourniture d’informations sur les concentrations mesurées dans les zones représentatives du niveau maximum auquel la population riveraine d'une source fixe est susceptible d'être exposée par des phénomènes de panache ou d'accumulation,

 

 

La chaîne d’étalonnage

Etalon de mesureAfin de contrôler la justesse des mesures issues de ces analyseurs, ces derniers sont régulièrement vérifiés et raccordés à des étalons (de référence ou de transfert), constituant l’outil indispensable aux différentes mesures.

 

Lig’Air se situe au niveau 3 de cette chaîne d’étalonnage.

 

Le niveau 1 (référence nationale) est constitué du LNE (Laboratoire National d’Essais). Le niveau 2 sert de relais entre le niveau 1 et le niveau 3, et permet l’étalonnage des appareils du niveau 3, grâce aux étalons de transferts.

 

Les polluants disposant de leur chaîne d’étalonnage certifiée sont les suivants :

 

Ø  L’ozone

 

Ø  Le dioxyde de soufre

 

Ø  Le monoxyde de carbone

 

Ø  Le monoxyde d’azote

 

 

La chaîne d'étalonnage

 

Autres polluants mesurés

Mesure des pesticidesLa mesure des pesticides :

 

Ces mesures sont effectuées par prélèvement actif, avec analyse en différé de la phase gazeuse et de la phase particulaire, par un laboratoire d’analyses agréé.

 

La mesure des dioxines et furanes :

 

Ces mesures sont réalisées par échantillonnage passif, à l’aide d’une jauge Owen. Ce type de prélèvement fait l'objet d'une norme française (AFNOR NF X 43-006). Leur contenu est ensuite envoyé à analyser en laboratoire d’analyses agréé.

 

 

 

Les méthodes de mesure

 

Lig'Air mesure actuellement en automatique et en continu six polluants différents. A chaque polluant correspond un analyseur dont le principe de mesure lui est spécifique.

 

La mesure des oxydes d’azote

 

Il est spécifique aux mesures de monoxyde et de dioxyde d’azote à de faibles teneurs dans l’air ambiant. Le principe de mesure est basé sur la chimiluminescence.

 

Principe de mesure du NO :
Il est basé sur une oxydation du monoxyde d’azote par des molécules d’ozone générées par un ozoneur à décharge :
NO + O3 à NO2* + O2
NO2* à NO2 + hν

 

Le dioxyde d’azote excité retombe à un état fondamental stable en émettant un rayonnement lumineux de longueur d’onde comprise entre 600 et 1200 nm.

 

Un filtre optique sélectif des longueurs d’onde supérieures à 610 nm, permet au photomutiplicateur de mesurer le rayonnement.

 

Ce dernier délivre ensuite un signal électrique à un microprocesseur qui l’amplifiera et le transformera en concentration.

 

Principe de mesure du NO2

 

Pour mesurer le dioxyde d’azote, il faut d’abord le réduire en monoxyde d’azote par passage dans un four convertisseur de molybdène à haute température (320°C) suivant la réaction suivante :
3 NO2 + Mo à 3 NO + MoO3

 

Selon le même principe que pour le monoxyde d’azote, on obtient donc la concentration en NOx (NO et NO2 converti) puis par différence avec la première valeur, la concentration en NO2

 

Devant le photomultiplicateur et le filtre optique se situe un chopper c’est-à-dire une roue à 3 secteurs correspondants aux phases suivantes :

  1. le masquage des deux chambres (zéro électrique), permettant la mesure du bruit électrique de fond.
  2. l’ouverture de la chambre NO (mesure du signal NO).
  3. l’ouverture de la chambre NOx (mesure du signal NOx).

 

La mesure du dioxyde de soufre

 

Le principe de mesure est basé sur la fluorescence UV des molécules de dioxyde de soufre. Les molécules de SO2 sont excitées sous l’effet de rayons UV émis par une lampe basse pression à vapeur de zinc de longueur d’onde 213,9 nm.

 

Les molécules de dioxyde de soufre excitées reviennent ensuite à un niveau fondamental par fluorescence :
La longueur d’onde des rayonnements fluorescents est comprise entre 320 et 380 nm (valeur moyenne de 350 nm). L’intensité de fluorescence mesurée par un photomultiplicateur est directement proportionnelle à la concentration en SO2 de l’échantillon.

 

La mesure du monoxyde de carbone

 

Le principe de mesure du monoxyde de carbone est basé sur l’absorption infra rouge. En effet son spectre d’absorption est maximal à la longueur d’onde 4,67 µm. Toutefois d’autres composés carbonés (que l’on peut retrouver dans l’air : CO2, CH4…) ont des spectres voisins à celui du CO. Pour éliminer les interférences de ces gaz, l’analyseur est équipé d’un filtre optique (centré sur la longueur d’onde 4,67 µm) et d’une roue de corrélation.

 

Le rayonnement IR émis par un filament chauffé traverse une roue de corrélation, le banc optique, puis un filtre sélectif à la longueur d’onde étudiée (4,7 µm) pour être enfin mesuré par le détecteur infrarouge.

 

La roue de corrélation permet une séparation temporelle du rayonnement IR en trois rayonnements distincts selon trois secteurs :

 

  1. une partie opaque ne laissant passer aucun rayon infra rouge.
  2. une partie vide laissant le passage libre aux rayons vers le banc optique.
  3. une partie comportant une cellule remplie de monoxyde de carbone.

 

Le rayonnement infrarouge incident traverse alternativement ces trois parties. Il en résulte au niveau du détecteur la mesure de trois types de signaux différents :

  1. un signal zéro correspondant au passage à travers la partie opaque de la roue.
  2. un signal correspondant à la partie vide de la roue. Cette mesure permet de déterminer l’intensité (i) restante après absorption partielle des rayonnements par les molécules de CO.
  3. un signal de référence (i0) correspondant au passage à travers la cellule remplie de CO. Durant cette période, toutes les bandes d’absorption spécifiques au CO sont éliminées. L’intensité lumineuse mesurée par le détecteur n’est donc pas affectée par l’absorption due au CO contenu dans l’échantillon.

 

Un microprocesseur calcule ensuite la concentration de monoxyde de carbone contenu dans l’échantillon en appliquant la loi de Beer-Lambert.

 

La mesure de l’ozone

 

La méthode de mesure est l’absorption d’un rayonnement ultraviolet produit par une lampe à mercure (raie principale d’émission de la lampe à mercure : 253,7 nm). Le spectre d’absorption de l’ozone est maximum à la longueur d’onde 253,7 nm.

 

Un détecteur UV placé en fin de cellule mesure l’énergie UV lorsque l’échantillon est dans la chambre de mesure (intensité i). De même, il mesurera, avant chaque mesure de i, une intensité i0 de la cellule contenant un gaz exempt d’ozone obtenu par passage à travers un filtre sélectif à l’ozone.
Un capteur de pression et de température permettent de déterminer P et t.
Le calcul de la concentration est alors réalisé à partir de la loi de Beer Lambert.

 

La mesure des particules en suspension

 

Deux méthodes de mesures sont utilisées à Lig'Air. Le rôle de ces deux analyseurs est de déterminer la quantité de particules en suspension d’un diamètre inférieur à 10 µm présentes dans l’air.
La jauge Béta

 

La mesure est basée sur le principe de la jauge Bêta, composée d’une source radioactive (rayons b mous) et d’un compteur Geiger-Müller.

 

Un volume d’air connu est aspiré, les particules se déposent sur un filtre en fibre de verre, le filtre, situé entre la source bêta et le compteur Geiger, est soumis aux rayons b (cette même opération est réalisée au préalable lorsque le filtre est vierge permettant ainsi de mesurer l’absorption du filtre). Les rayons de faible énergie sont absorbés par la matière par collision, l’absorption est proportionnelle à la masse de matière rencontrée indépendamment de la nature physico-chimique de celle-ci.

 

La pesée gravimétrique
Un volume d’air connu est aspiré, les particules se déposent sur un filtre, pesé en permanence.